Nature子刊：第一次记录人类行走时单神经元活动的便携设备

　　

               

神经堆栈，由研究人员开发的技术。

新技术可以极大地推进包括医学和神经科学在内的各个领域的研究。例如，近年来，工程师们发明了越来越复杂的设备，可以高精度地记录大脑活动和其他生物信号。

美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)和其他研究所的一个多学科研究团队最近开发了一种新的可穿戴技术“神经堆栈”(Neuro-stack)，可以在人走路或移动时记录大脑中单个神经元的活动。发表在《Nature Neuroscience》杂志上的一篇论文中提出了这种设备，它可以帮助收集关于行走过程中神经元活动的有价值的见解，同时也有可能改善大脑疾病的治疗。

“我们研究的动机是临床神经科学需要更小尺寸和更灵活的设备，”进行这项研究的研究人员之一Dejan Markovic说。“我们的主要目标是制造一种足够小的可穿戴设备，用于移动实验，并提供包括局部场电位和单个单元在内的宽带记录。”

由Markovic和他的同事们发明的“Neuro-stack”设备大约有一叠卡片那么大，比现有的记录单个神经元活动的设备要小得多。这使得它们特别适合于移动实验，在这些实验中，人类参与者正在移动或完成动态任务。

Markovic解释说:“简单地说，这种设备倾听大脑的声音，并与大脑对话。“它最独特的特点是能够记录自由活动的人类的单个神经元。另一个重要特征是高度可定制的刺激形状以及相对于θ波活动阶段的刺激时间。”

研究人员的设备基于超低功耗和区域集成电路。当人们戴着它或拿在手里时，该设备会以高分辨率记录单个神经元的活动。

此外，神经堆叠系统还可以通过一系列战略定位的电极刺激大脑中的神经元。这些刺激可以很容易地远程编程，以调查或治疗特定的大脑状况。

“最重要的贡献是在单个神经元的水平上探索人类自然行为中的大脑功能，”Markovic说。“以前，这样的研究只可能在动物模型中进行，所以这项技术为跨越物种的数十年神经科学发现提供了一个机会。”

Markovic和他的同事们最初在实验室环境中测试了他们的设备。在验证其设计后，他们对被诊断患有癫痫的患者进行了一系列真实世界的评估。

这些病人接受了外科手术，在他们的大脑深处植入了一些电极，以治疗他们的癫痫发作。该团队成功地使用Neuro-stack以高分辨率记录了这些患者大脑中单个神经元的活动，并提供了精确的定时电刺激。

此外，研究人员使用他们的设备记录了人类行走时单神经元和局部场电位(LFP)的活动。然后，当参与者完成一个简单的记忆任务时，他们也能够实时解码神经活动。

在未来，神经堆栈可以帮助推进探索人类疾病的神经生理学基础的研究，同时也有可能为大脑疾病提供更先进的神经调节疗法。与此同时，Markovic和他的同事们正计划基于他们的神经堆栈设计创建其他升级的设备，这可以促进他们的技术在临床环境中的部署。

Markovic补充说:“这些新设备将使我们能够为研究和治疗开发开发一个数据平台。该设备将演变成一种植入形式，我们已经有了用于基于网络的大脑疾病的经验。数据平台和植入式设备将为未来治疗各种适应症开辟途径。最终，我们设想微创植入物将被广泛使用。”